Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-6025
Main Title: Electricity sector decarbonization in Germany and Europe
Subtitle: a model-based analysis of operation and infrastructure investments
Translated Title: Stromsektordekarbonisierung in Deutschland und Europa
Translated Subtitle: eine modellbasierte Analyse operationeller Aspekte und Infrastrukturinvestitionen
Author(s): Gerbaulet, Clemens
Advisor(s): Hirschhausen, Christian von
Referee(s): Hirschhausen, Christian von
Kemfert, Claudia
Kunz, Friedrich
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: en
Abstract: This thesis focuses on research questions and implications in the context of the electricity sector decarbonization in Germany and Europe. The first part deals with market developments and operational aspects in the context of this electricity sector transformation. Its first chapter presents ELMOD-MIP, a unit commitment model for Germany with a representation of balancing reserves. The balancing reserves market in Germany of 2025 is analyzed. Costs increase compared to 2015 if the market remains the same; with the participation of wind turbines balancing reservation and activation cost decrease by 40%. The second chapter extends ELMOD-MIP to also include Switzerland and Austria and analyzes cross-border cooperation on balancing reserves. Cross-border procurement is the most beneficial form of cooperation and does not negatively affect cross-border spot market operations. The influence of electromobility on power plant dispatch is analyzed in the third chapter, which presents a methodology to represent different EV charging modes. Uncontrolled charging occurs at daytime and in the evening leading to high peak demands; cost-driven charging shifts towards hours with high solar availability and the night but can negatively impact the EVs’ specific CO 2 emissions. The second part deals with investments into the high voltage electricity grid. The first chapter describes the process and role of network planning in Germany and concludes that the current level of grid investments is not a limiting factor of the energiewende. The second chapter analyzes the effect of merchant interconnector investments in the Baltic Sea region using a two-stage model setup. Allowing merchants leads to a welfare increase, but it is largely pocketed by the merchant. The merchant is also incentivized to invest into suboptimal configurations. The third chapter presents a model to determine grid investments in Europe. The need for transmission investment in Europe until 2050 depends on generation technology choices. Investments are lower than assumed. The largest effect on grid expansion in terms of volume and regional structure is induced by the GHG emission reduction targets of the exogenously given generation portfolios. High mitigation scenarios require large additional network investments. The third part assumes a dynamic investment perspective into generation and transmission capacities in Europe until 2050. Its first chapter presents dynELMOD, a cost-minimizing investment and dispatch model for the European electricity sector. Under full decarbonization, mostly renewables combined with storage capacities provide the electricity generation in 2050 in Europe. The second chapter focuses on scenarios for the decarbonization of the European electricity sector focusing on boundary conditions such as the planners’ foresight using scenarios with reduced foresight or an emission budget approach. Investing under a myopic horizon leads to stranded assets. In the budgetary approach, the model is free to distribute emissions between time steps within a budget. This gives insights in low cost decarbonization paths in the electricity sector.
In dieser Dissertation werden Forschungsfragen zur Transformation des Stromsektors in Deutschland und Europa im Rahmen der Dekarbonisierung behandelt. Der erste Teil befasst sich mit Marktentwicklungen und operativen Aspekten im Kontext dieser Sektortransformation. Im ersten Kapitel wird ELMOD-MIP eingeführt, ein Kraftwerkseinsatzmodell für Deutschland mit einer genauen Abbildung von Regelleistung. Es analysiert den Regelleistungsmarkt in Deutschland 2025. Bei gleichbleibenden Marktrahmenbedingungen steigen die Kosten im Vergleich zu 2013; jedoch verringert die Beteiligung von Windenergie die Gesamtkosten der Regelleistungsbereitstellung um 40%. Im zweiten Kapitel wird ELMOD-MIP um die Schweiz und Österreich erweitert und grenzüberschreitende Zusammenarbeit im Regelleistungsmarkt analysiert. Gemeinsame Beschaffung ist die vorteilhafteste Form der Zusammenarbeit und hat keine negativen Auswirkungen auf den Spotmarkt. Der Einfluss der Elektromobilität auf den Kraftwerkseinsatz in Deutschland wird im dritten Kapitel analysiert, welches eine Methodik zur Darstellung verschiedener EV-Lademodi beinhaltet. Ungesteuertes Aufladen erfolgt tagsüber und abends und führt zu hohen Lastspitzen; kostenbasierte Ladung verschiebt diese zu Stunden mit hoher Solarverfügbarkeit und der Nacht, kann aber die spezifischen CO 2 -Emissionen der EVs negativ beeinflussen. Der zweite Teil befasst sich mit Netzausbau im Übertragungsnetz. Das erste Kapitel beschreibt den Prozess und die Rolle der Netzplanung in Deutschland und kommt zu dem Schluss, dass die derzeitige Geschwindigkeit des Netzausbaus keine verlangsamende Wirkung auf die Sektortransformation hat. Das zweite Kapitel analysiert die Wirkung nichtregulierter Investitionen in Interkonnektoren in der Ostseeregion. Diese Investitionen führen zu einer Wohlfahrtssteigerung, die aber weitgehend von den Investierenden abgeschöpft werden und reizen diese dazu an, in suboptimale Netzkonfigurationen zu investieren. Das dritte Kapitel präsentiert ein Modell zur Ermittlung von Netzinvestitionen in Europa. Der Bedarf an Übertragungsnetzinvestitionen in Europa bis 2050 hängt vom Erzeugungsportfolio ab. Die größte Auswirkung auf das Volumen und die regionale Struktur der Netzinvestitionen wird durch die Treibhausgasemissionsreduzierungsziele exogen vorgegebener Erzeugungsportfolios induziert. Hohe Reduktionsziele erfordern große zusätzliche Netzinvestitionen. Der dritte Teil nimmt eine dynamische Investitionsperspektive in die Erzeugungs- und Übertragungskapazitäten in Europa bis 2050 ein. Das erste Kapitel präsentiert dynELMOD, ein Investitions- und Kraftwerkseinsatzmodell für den europäischen Stromsektor. Unter vollständiger Dekarbonisierung werden überwiegend erneuerbare Energien in Verbindung mit Speicherkapazitäten für die Stromerzeugung im Jahr 2050 in Europa genutzt. Das zweite Kapitel konzentriert sich auf Szenarien für die Dekarbonisierung des europäischen Elektrizitätssektors, unter Berücksichtigung von Rahmenbedingungen wie die Voraussicht der Planer. Investitionen unter kurzfristiger Planung führen zu erhöhtem Kraftwerksausbau. In einem Budgetansatz kann das Modell Emissionen zwischen Zeitschritten frei verteilen, um kostenminimierende Transformationsraten zu ermitteln.
URI: http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/6517
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-6025
Exam Date: 20-Apr-2017
Issue Date: 2017
Date Available: 20-Jul-2017
DDC Class: DDC::300 Sozialwissenschaften::330 Wirtschaft::333 Boden- und Energiewirtschaft
Subject(s): electricity sector
decarbonization
generation investments
transmission expansion planning
balancing reserves
electromobility
regional cooperation
Stromsektor
Dekarbonisierung
Erzeugungsinvestitionen
Netzausbau
Elektromobilität
Regelleistung
regionale Kooperation
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